金属学与热处理笔记
【EP01】金属学及热处理绪论
【材料科学与工程领域内比较重要/基本的实验规律】：材料的性能是有什么决定的：
性质（内在联系）——组织结构——制备与加工工艺
材料的结构：构成材料的基本质点（离子，原子或分子等）是如何结合与排列的，它表明材料的构成方式。
材料的显微组织：指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌，通常称为显微组织。包括晶粒大小、合金相种类、数量、大小及分布等。
【材料制备与加工工序】：
【材料分类】
（1）以性能特点和用途为依据：
结构材料：强调利用材料的力学性能来满足使用要求。
功能材料：强调材料具有特殊的光电磁热等物理性能。如半导体、芯片、单片机、dsp 等。
（2）以原子间键合特点为依据：
金属材料：具有正电阻温度系数（电阻（电阻率）与温度成正比（反比））的物质，具有良好导电性、导热性、延展性、高密度和光泽。
陶瓷材料：金属和非金属元素间化合物。具有很高强度和硬度，较低导电性、导热性，延性、成型性及耐冲击性很差。极好耐高温性及耐腐蚀性，一些还具有独特光电性能。
高分子材料：非金属原子共有电子而构成大分子材料。每个分子有许多结构相同的单元相互连接而成，又称聚合物，较高强度，良好塑性，较强耐腐蚀性，绝缘性，低密度等优良性能。
复合材料：两种及以上材料组成，具备有其他组成材料不具备的性能，很有可能具有非凡的刚度、强度、耐高温性能、耐腐蚀性能。（如黄泥+稻草制土坯）
思考题：
1.简述材料组织结构、性能及加工工艺之间的关系：材料性能决定于其组织结构；要想改
变材料的性能，需要通过材料的加工工序过程来改变材料的组织结构，从而改变其性能；
材料性能反过来会影响加工工序的选择。
【EP02】第一章金属和合金的晶体结构
结构：（1）原子结构——原子核、核外电子——原子核外电子排布方式显著影响着材料的电磁光热性能，还影响到原子彼此结合方式，从而决定材料类型；（2）原子之间的空间排列——具有晶态与非晶态之分，晶体结构影响性能；（3）显微组织——晶粒大小、合金相种类、数量、大小及分布等。
1.1金属原子间的键合特点：
工业上基本不用纯金属做结构材料，但Ti 比较特殊，纯钛即可作为结构材料使用。
金属的定义：（本质特征）具有正电阻温度系数的材料（故而超导材料仅在温度低到一定温度才能存在，-196°C/77K）；金属其他特性：导电、导热、延展性、高密度、高光泽。
价电子：原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子，结构特点是一般不超过3个，4个为半导体材料，超过4为非金属材料及惰性气体；
原子之间相互作用力：排斥力、吸引力；
外层电子作用形式：稳定的八电子稳定结构；接受或释放额外电子；共有电子；
金属键特性：无方向性、无饱和性、良好强度及塑性，绝大多数金属材料以金属键为主；电子云：价电子一部分原子挣脱原子核的束缚，不被单一固定原子私有，而形成电子云的分布状态，被所有原子共有。
离子键特性：通过得失电子形成正负粒子，具有饱和性、方向性；离子材料宏观性能具有高熔点、高硬度、低塑性。如Na﹢Cl—；陶瓷材料的原子作用力以离子键为主作用出来；固态状态下可做良好电绝缘材料。
共价键/共用电子对特性：具有方向性、饱和性；高熔点、高硬度、低塑性、电绝缘性；如高分子材料/聚合物（·橡胶塑韧性实际很好，似乎与理论矛盾，是因为长链大分子中，单元与单元原子之间存在分子键/范德瓦尔键，所以具有较好塑韧性）。
1.2金属晶体典型结构：
材料的原子排列方式：长程无序，短程有序——非晶态材料——性能：结构无序、物理性能各向同性、膨胀系数低——快速冷却获得非晶态材料；
长程有序——晶态材料——性能：结构有序，各向异性空间点阵：抽象几何概念，由一维/二维或三维规则排列的阵点组成。
基元：即构成材料的质点在三维空间呈周期性排列。
体心立方晶格：八面体（常见）、四面体间隙（几乎很少）；
·冷脆性/多晶型转变：当外部温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，又称同素异构转变；
合金相结构
合金：两种及以上金属元素，或金属元素与非金属元素经过熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的物质；
相：合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成成分；分成固溶体、金属化合物两类。
固溶体：合金的组元通过溶解形成成分及性能均匀，结构与组元之一相同的
固体；溶质——合金元素，溶剂——比例占多数的组元。
影响固溶体溶解度的因素：
（1）尺寸（溶质溶剂原子相对尺寸差）；
（2）电负性价效应；
（3）价电子浓度；
（4）晶体结构类型：越相近越容易互溶；
如Cu-Ni单相固溶体合金，液固态都能完全无限互溶；性能特点：变形抗力小，延展性高，特别适合变形成型；
第一种强化方法——固溶强化（间隙式强于置换式）：通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和硬度提高的现象——马氏体（严重过饱和间隙式固溶体）相变强化（工程材料中最强），置换式多见于有色固溶体合金。
金属化合物：
（1）正常价；
（2）电子化合物：按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。熔点和硬度都很高，塑性差，是有色金属中的重要强化相。
（3）间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属键化合物。
（4）间隙化合物：如铁碳化合物—渗碳体，晶胞中16个原子；
1.3金属晶体缺陷
材料的强化途径：
1.降低材料内部缺陷，但制备大块少缺陷的材料技术不纯熟；
2.在材料内部加入缺陷（以缺陷存在大小为依据：点缺陷、线缺陷、面缺陷）；点缺陷：空间三维方向上尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷。原子长程迁移——扩散（一般金属原子50°C下迁移率几乎为零）的主要直接障碍；常见种类：间隙原子、置换原子、空位。空位分类：肖脱基空位、弗兰克尔空位。线缺陷—位错：发生在一维方向上很大，是一个直径为3-5个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。常见位错分类：刃型、螺型、混合位错。
刃型位错：
螺旋位错：仅滑移于密排面上，或交滑移到另一相交的密排面上；
位错特性：柏氏矢量运算复合矢量法则；一根不分叉的位错线不论形状如何变化，只有一个恒定柏氏矢量；位错线不能终止于晶体内部，只能终止于晶面或晶界；可表示晶体滑移大小和方向；位错线和柏氏矢量构成滑移面；应力场作用造成铝等材料拉伸曲线出现锯齿状屈服阶段；
螺旋位错与刃型位错的区别：螺旋位错的位错线与柏氏矢量平行，刃型则是垂直。
材料位错密度：
位错运动方式：滑移、攀移（仅限刃型位错）；
面缺陷/二维缺陷：晶界（一般暗指大角度晶界>10°，小角度晶界对性能影响较小）、亚晶界、相界、孪晶界（共格、非共格）；
第二种强化方法（主要针对具有大角度晶界的细晶强化）——第二相质点强化：在不稳定的过饱和固溶体基础上析出第二相金属化合物；
途径：沉淀强化——在不稳定的过饱和固溶体基础上析出第二相金属化合物，对有色金属/合金效果较好；
粉末冶金/弥散强化——与上者区别在于将第二相粉末弥散熔合；
相界：（a）无应力应变场；（b）弹性应力应变场；（c）对应热处理早期，当析出物不断长大，错配程度超过弹性强度，有些连接键断裂；（d）对应材料处理后期阶段。
·晶界能、力学性能高于晶内能；晶界的作用体现于1.强度；2.阻碍位错运动（细晶强化理论关键点）；塑变主要方式为滑动；
·缺陷强化在提高强硬度同时，降低塑韧；
·细晶强化的材料高温热稳定性差：晶粒会长大；
·相界对晶界有钉轧阻碍作用；
固态下相变特点：缺陷位置是优先形核的位置；固态下相变转变过程，一般在相变时阻力都非常大，新相生成过程一般只能在缺陷处生成。
晶界特性：由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，晶界处熔点往往偏低。
解题关键：质量守恒，BCC——FCC
【EP03】第二章金属结晶现象
纯金属的结晶基本概念：
凝固（内涵大）：液态转变为固态的过程（包含有序与无序的互相转变）。
结晶（内涵小）：原子不规则液态变为原子规则排列的晶体状态的过程。
溶点：平衡结晶温度或理论结晶温度。
（一次）结晶：金属从液态转变为固体晶态过程。
二次结晶/重结晶：从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程。——等同于同素异构转变/多晶型转变。
纯金属的结晶内容
金属结晶的宏观现象：x-y记录仪：温度随时间的变化曲线；
熔化工具：电加热炉、电磁感应炉、真空熔炼炉；
现象：过冷现象——冷却速度与过冷程度成正比，降温过程中出现恒温平台——实验中需要控制冷却速度；
结晶潜热——
热分析方法：
金属结晶的微观现象：形核、长大；
金属结晶条件：
结构起伏/相起伏：近程有序结构可在金属液体中各处处于“时聚时散，此起彼伏”的不断运动之中，这种近程有序的聚散现象。
晶胚：在过冷金属液中，出现某些尺寸较大，较为稳定且原子规则排列方式与金属本身晶格相同的近程有序原子集团，有可能成为潜在的结晶核心，这种在过冷条件下金属液中尺寸较大的，与金属本身晶格相同的近程有序原子集团称为晶胚。
能量起伏：体系中每个微小体积所实际具有的能量，会偏离体系平均能量水平而瞬时涨落的现象。
均匀形核：完全依靠液态金属中的晶胚形核（完全依靠自由能差）过程，液相中各区域出现新相晶核的几率是相同的。
非均匀形核（工业生产中常见方式，浇注前撒粉）：晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。
热力学条件：结晶驱动力——液固自由能差——需有一定过冷度——临界过冷度；
结构条件：临界晶核半径、临界形核功；
晶体长大基本条件：
固液界面微观结构：
光滑界面（从原子尺度观察）——参差不齐截然分开的锯齿状（从相对较大的显微尺度
观察），又称小平面界面；
粗糙界面（从原子尺度观察）——平整状（从相对较大的显微尺度观察），又称非小平面界面；